高用亮，熊小平曾東

(1.總裝某軍代室，山東 青島 266000;2.武漢船用機械有限責(zé)任公司，武漢 430084)

新型布纜船船艉A型架吊放系統(tǒng)

高用亮1，熊小平2，曾東2

(1.總裝某軍代室，山東 青島 266000;2.武漢船用機械有限責(zé)任公司，武漢 430084)

通過分析海纜敷設(shè)、打撈原理，歸納提出船艉A形架吊放系統(tǒng)的功能特性，并在此基礎(chǔ)上采用系統(tǒng)分析、仿真計算、引用借鑒等方法對門架結(jié)構(gòu)物設(shè)計、滑動架設(shè)計、電液同步控制、恒張力控制4大實現(xiàn)難點進行討論，最終實現(xiàn)了船艉A型架吊放設(shè)備的設(shè)計。

布纜船;吊放系統(tǒng);艉門架

我國海岸線漫長，島嶼眾多，島嶼間的通信一般采用抗干擾能力強、隱蔽性好、可靠性高的海底通信光纜。隨著信息化進程加快，一批新型多功能布纜船開始研發(fā)、建造。船艉A型架吊放系統(tǒng)作為光纜敷設(shè)、打撈的重要配套系統(tǒng)，主要用于海纜埋設(shè)機的起吊入水和回收工作，并為海纜敷設(shè)提供拖曳動力。文中分析A型架吊放系統(tǒng)使用工況，闡述其設(shè)計思路，研究其結(jié)構(gòu)物設(shè)計和設(shè)備控制技術(shù)，以期為同類產(chǎn)品研發(fā)提供參考。

1 吊放系統(tǒng)分析

1．1 海纜敷設(shè)、打撈工況簡介

海纜的敷設(shè)、打撈是系統(tǒng)性工程，主要涵蓋門架吊放系統(tǒng)、海纜作業(yè)系統(tǒng)、海纜通道系統(tǒng)。海纜作業(yè)系統(tǒng)是核心，主要包括海纜埋設(shè)機、布撈纜機等8大設(shè)備。海纜敷設(shè)作業(yè)時，將電纜穿入埋設(shè)機放入海中進行埋設(shè)作業(yè)，埋設(shè)機在海底開溝埋設(shè)，海纜通過布纜機、海纜通道系統(tǒng)以一定的線速度隨埋設(shè)機入水。在此過程中，門架吊放系統(tǒng)負(fù)責(zé)埋設(shè)機的吊放入水和提供開溝埋設(shè)的動力。海纜打撈作業(yè)時，由探測儀依據(jù)布纜路徑記錄探測需打撈維修海纜的具體位置，控制布纜船行駛到附近海域下放打撈錨，沿垂直于海纜路徑方向以一定的初速度直接將海纜勾起。海纜出水后，由門架吊放系統(tǒng)將海纜移至甲板進行維修、更換，而后將海纜進行埋設(shè)遮蔽(淺水區(qū)，由人工或機器人埋設(shè);深海區(qū)，海纜直接裸露在海底。

1．2 門架吊放系統(tǒng)工作原理研究

老式布纜船門架吊放系統(tǒng)由艏吊架、艉吊架及絞車組成。艏吊架配電動葫蘆和吊鉤一套，可平直伸出船艏進行撈纜作業(yè)。艉吊架為液壓驅(qū)動，由俯仰油缸帶動門架進行俯仰作業(yè)，并配電動葫蘆一套，用于將埋設(shè)機吊放入水和回收。絞車為電力驅(qū)動，主要為埋設(shè)機提供拖帶和起升動力［1］。新型布纜船不同于老式布纜船，海纜敷設(shè)、打撈由原貫通艏艉作業(yè)方式變?yōu)榇杭凶鳂I(yè)方式。因此，門架吊放系統(tǒng)需將艏吊架、艉吊架、絞車功能進行融合、優(yōu)化、統(tǒng)一，以完成埋設(shè)機的吊放入水和回收工作，并為海纜敷設(shè)作業(yè)提供拖曳動力。因此，門架吊放系統(tǒng)應(yīng)具備如下主要功能。

1)埋設(shè)機與A型架對接。埋設(shè)機的吊放入水和回收工作是A型架的主要功能之一，如何保持埋設(shè)機在吊運過程中的相對穩(wěn)定，是必須考慮的重點。需要設(shè)計一種連接機構(gòu)用以穩(wěn)定持續(xù)地保持兩者的連接。為防止埋設(shè)機吊離水面時的晃動，A型架連接機構(gòu)需要在水面完成對接，因此連接機構(gòu)長度就必須足夠長?？紤]到埋設(shè)機出水位置的不確定性，連接機構(gòu)應(yīng)具備在吊架跨度范圍內(nèi)橫向移動的功能，可以在回收埋設(shè)機時用于調(diào)整海纜的角度，方便纜繩入船艉纜繩槽。

2)低張力控制。門架吊放系統(tǒng)主要由拖纜絞車和A型架組成，兩者配合作業(yè)。當(dāng)A型架動作時，拖纜絞車需要同步進行控制收放繩以防止鋼絲繩張力過大損壞設(shè)備。因此，拖纜絞車需要具備低張力功能，即設(shè)定一個鋼絲繩張力值，該值通過傳感器讀取并反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)張力控制閥電流值控制系統(tǒng)輸出張力，從而實現(xiàn)實時保持鋼絲繩張力維持在一個特定的范圍［2-3］。

3)恒張力控制。根據(jù)海底地質(zhì)不同，應(yīng)設(shè)置相應(yīng)拖曳張力以適應(yīng)埋設(shè)機的海底作業(yè)需求。當(dāng)鋼絲繩張力持續(xù)增大或拖纜絞車持續(xù)放繩時，說明埋設(shè)機遇到無法跨越的障礙物，控制系統(tǒng)報警，反饋布纜船進行相應(yīng)調(diào)整。

4)執(zhí)行功能所需動作。由于系統(tǒng)功能需要，門架吊放系統(tǒng)需要完成仰俯、滑動、伸縮、擺動等一系列復(fù)雜動作，其執(zhí)行機構(gòu)選型顯得尤為重要。鑒于液壓傳動具備動態(tài)性能好、反應(yīng)迅速、無間隙傳動等優(yōu)勢，故本系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動，選用國內(nèi)技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定的油缸作為執(zhí)行機構(gòu)以完成系統(tǒng)各動作［4-5］。

分析上述功能需求，研究原門架吊放系統(tǒng)原理，結(jié)合國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀，形成新型布纜船門架吊放系統(tǒng)設(shè)計(見圖1、2)思路。

圖1 門架吊放系統(tǒng)組成示意

圖2 門架結(jié)構(gòu)示意

整套系統(tǒng)以液壓泵站作為動力源，油缸為具體動作執(zhí)行機構(gòu)。A型架由兩根主油缸驅(qū)動，實現(xiàn)甲板內(nèi)外的俯仰運動;其橫梁上設(shè)計有滑動架，滑動架下方鉸接伸縮架，伸縮架連接埋設(shè)機，通過伸縮架的伸縮實現(xiàn)埋設(shè)機的上升下降功能;同時，滑動架在油缸驅(qū)動下實現(xiàn)埋設(shè)機在甲板內(nèi)的橫移功能，所有動作通過油缸驅(qū)動實現(xiàn)準(zhǔn)確控制。拖纜絞車為吊放及拖曳工況提供恒張力，保證埋設(shè)機運動過程中的穩(wěn)定性。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2．1 門架設(shè)計

A型架結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)負(fù)載的直接承載部件，在設(shè)計中必須嚴(yán)謹(jǐn)考慮，以可靠實現(xiàn)A型架的相關(guān)功能。首先，根據(jù)理論計算，初步確定A型架的結(jié)構(gòu)，如支腿、橫梁的截面形狀，板材厚度等;再進行三維建模，充分考慮設(shè)備負(fù)載情況，借助多體動力學(xué)及有限元方法仿真手段，進一步論證設(shè)計的合理性，優(yōu)化相關(guān)部位，從而完成A型架結(jié)構(gòu)的定型設(shè)計。應(yīng)用有限元分析，對相關(guān)危險工況下整體結(jié)構(gòu)進行靜強度校核。分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移、穩(wěn)定性、撓度變形等是否符合設(shè)計要求。本設(shè)備危險工況為:主油缸完全伸出，伸縮油缸完全伸出，并受到最大負(fù)載作用。在最危險工況下，油缸有可能無法提供足夠動力將門架系統(tǒng)拉回到船內(nèi)。但考慮到此工況為瞬間工況，只要油缸具有2倍靜強度設(shè)計余量，門架在2倍超載下不發(fā)生塑性變形即可滿足安全使用的要求。因此，門架及油缸設(shè)計均按照2倍安全余量進行設(shè)計。

2．2 滑動架設(shè)計

考慮到系統(tǒng)需具備橫向移動功能，因此在A型架橫梁上設(shè)置滑動架。該結(jié)構(gòu)形式動作精確、運動平穩(wěn)、便于維護，能將移動產(chǎn)生的晃動降到最低，且在油缸作用下可輕易實現(xiàn)重載下的左右滑動?；瑒蛹艿脑O(shè)計最為關(guān)鍵的部位即擺動油缸鉸點的設(shè)計及滑動架內(nèi)部與橫梁接觸的導(dǎo)軌的設(shè)計。若設(shè)計不當(dāng)，將導(dǎo)致擺動油缸無法正常工作，同時滑動架不能正常在橫梁上滑移。

2.2.1 滑動架上擺動油缸鉸點設(shè)計

擺動油缸的作用主要是在吊裝工況下減緩伸縮架的縱向擺動，并在擱置工況下對伸縮架進行鎖定，防止其縱向晃動。作者以為設(shè)計油缸鉸點時應(yīng)考慮以下幾點。

1)伸縮架擺動到極限位置時，油缸兩個安裝鉸點距離相對于其極限距離的關(guān)系;

2)伸縮架擺動到極限位置時，油缸中心線與滑動架箱形梁間的最小距離，見圖3。

圖3 油缸中心線與滑動架箱形梁間的最小距離

3)油缸力對伸縮架擺動軸線的力臂大小。油缸鉸點設(shè)計的關(guān)鍵是伸縮架耳板的中心高，此高度過高會導(dǎo)致油缸行程不夠，高度過低會導(dǎo)致油缸缸體與滑動架相互干涉，因此首先找出滿足要求的中心高范圍。再在范圍內(nèi)選擇油缸力臂最大，兩端安全裕度角最大的點。本設(shè)計中，即使伸縮架擺動到極限位置，油缸仍有15°的余量角，以保證在風(fēng)浪作用下油缸的安全。

2.2.2 滑動架內(nèi)部導(dǎo)軌設(shè)計

滑動架受力的主要特性在于，其橫行移動的作用力平行于各軌道所在直線，并且橫向力作用線與滑動架幾何形心軸線之間存在一定的距離，見圖4。

圖4 滑動架力系自鎖條件

根據(jù)圖中滑動架力系構(gòu)成特點，如果由于其他外界因素造成如圖所示的對角接觸狀態(tài)，即圖中滑動架兩端受力點A和B處于對角位置，則點A和B處的約束反力與水平力主動力Fx存在發(fā)生自鎖的可能性。發(fā)生自鎖的條件為水平力Fx的作用線進入圖中的自鎖區(qū)域。圖4中φ為摩擦角，h為導(dǎo)軌間距，H為力Fx作用線到滑動架中軸線的距離，L為滑動架兩端導(dǎo)軌反力作用點的水平距離(沿滑動方向的投影距離)。根據(jù)圖中的幾何關(guān)系，得出避免發(fā)生自鎖的條件為L≥2Htan φ。

經(jīng)過計算，當(dāng)油缸力作為單一主動力時，由于兩端滑軌反力間距只需要大于78.2 mm，因此其單獨發(fā)生自鎖的可能性比較小。而當(dāng)埋設(shè)機慣性力(平行于導(dǎo)軌的慣性力及重力的分力)作為主動力時，由于埋設(shè)機質(zhì)心與導(dǎo)軌直線的距離H較大，且門架的偏斜進一步加大了等效摩擦系數(shù)的值，因此避免自鎖所需的兩端滑軌反力間距L較大。在實際操縱中，油缸力與埋設(shè)機慣性力是同時作用于滑動架的，當(dāng)埋設(shè)機慣性力所形成的力系發(fā)生自鎖時，通過油缸力作用可以使其解鎖。理論計算及分析只能計算出理論值，可能與實際情況有一定出入，比如滑塊的擠壓變形及橫梁的撓度值在理論計算中是被忽略的。通過仿真手段可對理論分析進行驗證并作出適當(dāng)調(diào)整，以最終確定滑塊長度。

2．3 電液同步控制技術(shù)

A型架俯仰動作時，由于滑動架可沿著橫梁移動，負(fù)載不可能時刻在橫梁正中間保持兩缸受力平衡，存在著偏載。因此需要考慮如何使兩油缸在受力不同的情況下可靠同步，以達(dá)到同步控制的要求。為保證液壓同步馬達(dá)正常工作，在其出口配置有限壓閥和補油控制單向閥。兩油缸運動時，若某一油缸運動到位或卡死，必然產(chǎn)生“憋壓”或“吸空”現(xiàn)象。為防止這種現(xiàn)象，限壓閥將按調(diào)定好的壓力值過載保護;而“吸空”時，補油單向閥會開啟，防止吸空產(chǎn)生的氣蝕危害。

2．4 恒張力控制技術(shù)

拖纜絞車在配合A型架的吊運工作及其拖曳作業(yè)時，拖纜絞車均需維持鋼絲繩的一定張力，而根據(jù)不同工況需求，其張力值應(yīng)方便無級可調(diào)。如圖5所示，可通過液壓元器件的合理搭配使用，實現(xiàn)拖纜絞車的無級調(diào)級恒張力控制功能［6］。

圖5 恒張力控制液壓原理示意

當(dāng)液壓油從A口進入時，液壓馬達(dá)有相應(yīng)收繩動作，當(dāng)負(fù)載在其承載范圍內(nèi)改變時，通過對輸入先導(dǎo)比例溢流DT1的比例電流信號的控制，可實現(xiàn)對溢流閥的溢流壓力的比例控制，進而實現(xiàn)對液壓馬達(dá)的輸出負(fù)荷(轉(zhuǎn)矩)的限制和調(diào)節(jié)，從而改變拖纜絞車的主動收繩工作能力，實現(xiàn)不同張力值情況下主動收繩時的恒定張力值;同時，當(dāng)B口進油時，液壓馬達(dá)有相應(yīng)的放繩動作，由于回油路上設(shè)置有平衡閥，產(chǎn)生一定的背壓，從而保證放繩速度的穩(wěn)定性不受負(fù)載變化的影響，保證操作的安全性［7］。

3 結(jié)束語

船艉A型架吊放系統(tǒng)是新型布纜船海纜敷設(shè)、打撈的重要配套設(shè)備，由于其系統(tǒng)復(fù)雜，專業(yè)領(lǐng)域跨度大，設(shè)計制造一直被國外公司壟斷［8］。通過作者所在科研團隊的努力，國內(nèi)自主設(shè)計制造的船艉A型架吊放系統(tǒng)已經(jīng)成功裝船應(yīng)用，各項運行參數(shù)達(dá)到預(yù)期。該系統(tǒng)的成功研發(fā)，必將對海工裝備尤其是起重及收放設(shè)備發(fā)展起到積極的促進作用。

在船艉A型架吊放系統(tǒng)工程實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，下一步應(yīng)針對設(shè)備的自動化控制開展研究，在保證足夠安全的情況下，設(shè)計出合理的自動化程序，簡化操作流程，提高自動化水平。

［1］張浩立，鄧智勇，宋誠，等.一種新型集成式潛水器吊放回收系統(tǒng)的研制［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2010，32 (7):117-120.

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Research on Launch Retrieval Apparatus of a Late-model Cable Layer

GAO Yong-liang1，XIONG Xiao-ping2，ZENG Dong2
(1.Military Representative Office in Qingdao，Qingdao Shandong 266000，China; 2.Wuhan Marine Machinery Plant Co.Ltd，Wuhan 430084，China)

The function features of launch retrieval apparatus system are summarized through detailed analysis of the cablelaying and retrieving principle.The methods of system analysis，simulation calculation，reference and citation are applied to process a detailed research of the design difficulties for the cable layer，including the design of frame crane and the slip shelf，as well as the electro-hydraulic synchronization control and the constant tension control system，so that the launch retrieval apparatus is designed autonomously.

cable layer;launch retrieval apparatus;A frame crane

U674.34

A

1671-7953(2015)02-0074-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.020

2014-10-04

修回日期:2014-12-19

國防科研項目:某型艇艉錨機改進研究、研制(ZLA12120)

高用亮(1983-)，男，碩士，工程師

研究方向:船舶設(shè)計

E-mail:qdgyl@sina.cn